Rumbo a ‘terra incognita’: el LHC reinicia su singladura

Tras más de dos años en el dique seco, el buque insignia de la física de partículas vuelve a navegar. Después de su exitoso primer período de exploración entre los años 2010 y 2012, culminado con el descubrimiento más importante en el campo de la física de partículas en las últimas décadas, el bosón de Higgs, el acelerador LHC y los experimentos retoman su actividad en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) con energías renovadas. Aún quedan grandes interrogantes por responder sobre cuestiones de física fundamental, como el origen de la asimetría entre materia y antimateria en el universo, la naturaleza de la materia oscura, detectada a través de sus efectos gravitatorios, o la comprensión de la enigmática energía oscura que parece permear el universo y acelerar su expansión.

Este tiempo en el astillero se ha empleado para dotar al gran colisionador de una mayor potencia que permitirá producir un número más elevado de choques entre protones a una energía prácticamente el doble de la anterior y así poder explorar las leyes fundamentales de la naturaleza a distancias aún más pequeñas. El aumento de energía abre la puerta a la producción de quizás nuevos fenómenos inaccesibles a energías inferiores. La mayor intensidad, del orden de dos mil millones de colisiones por segundo, dará acceso a la creación de procesos de muy baja probabilidad de ocurrencia, acaso inobservados anteriormente por falta de datos suficientes. Extender las fronteras de la energía y la intensidad nos permiten, pues, adentrarnos más lejos y más rápido en un territorio jamás explorado del inmenso océano del microcosmos con la perspectiva de encontrar nuevos especímenes, quizá supersimétricos, oscuros o incluso multidimensionales, por ahora sólo en la mente de algunos físicos teóricos. Ingredientes nuevos que nos permitan avanzar en la comprensión de nuestro universo no aparecerán simplemente por deseo, esperanza, revelación o razonamiento puro. Es necesaria la experimentación, traspasar las fronteras de lo observado anteriormente.

Somos conscientes, sin embargo, de que esta vez no tenemos de guía, a modo de estrella polar que oriente nuestra navegación, una predicción fiable, como lo fue el acorralado bosón de Higgs, donde otros exploradores habían ido marcando el terreno y haciendo mapas cada vez más detallados. Existe siempre el temor de que a pesar de disponer de una nave más poderosa, esta expedición no nos lleve a ninguna parte, que el océano tras el cual se encuentre el nuevo mundo sea todavía demasiado ancho para atravesarlo y la tierra prometida quede aún lejos de nuestro alcance. Puede que los armadores de aceleradores no estén dispuestos a invertir en naos más potentes a menos que retornemos de esta expedición con pruebas de ultramar. Nuestra determinación es grande y nuestra entrega es total, pues sabemos que la recompensa es fabulosa.

Motivan la nueva campaña evidencias experimentales de que sólo comprendemos cómo funciona una fracción muy pequeña de nuestro universo, la materia ordinaria, que constituye únicamente en torno al 5% del contenido energético del cosmos. La detección y la caracterización de la materia oscura a través de sus efectos gravitatorios sobre la materia visible a escalas cosmológicas nos indica que hay nuevas partículas aún no descubiertas. Éstas no interaccionan electromagnéticamente con la materia ordinaria para producir luz, de ahí el nombre de materia oscura. Suponemos que sus interacciones son extremadamente débiles de modo que será muy difícil detectarla. El LHC recrea en el laboratorio en regiones microscópicamente pequeñas las condiciones del universo muy temprano donde se podrían haber creado las partículas de materia oscura. Su producción y detección es uno de los principales objetivos de esta nueva etapa.

La energía oscura constituye otro de los llamados conocidos desconocidos, fenómenos de los que conocemos indirectamente su existencia pero desconocemos aún su naturaleza. Sabemos algunas de su características, como que se distribuye uniformemente por todo el espacio y que, al contrario de lo que ocurre con la materia y la radiación, su densidad se mantiene constante con la expansión del universo. Esta energía oscura, en este caso denominada oscura por su misterioso origen, parece permear todo el cosmos, al igual que el campo de Higgs, responsable de dotar de masa a las partículas elementales. Sin embargo, existe algo fundamental que no entendemos. La energía que según nuestras teorías actuales aportaría el campo de Higgs es inmensamente superior a la que realmente se obtiene a través de medidas cosmológicas para la energía oscura. Este conundrum resulta altamente estimulante para la comunidad de físicos de partículas. Parece, pues, que existen también desconocidos desconocidos, lo cual nos garantiza el trabajo por mucho tiempo.

Extender las fronteras de la energía y la intensidad nos permiten adentrarnos más lejos y más rápido en un territorio jamás explorado

Aún deben transcurrir unos días de pruebas hasta que el acelerador alcance un régimen de estabilidad e intensidad adecuado como para que los detectores puedan tomar datos aptos para los análisis de física. Los primeros datos serán de una importancia extraordinaria y los experimentos llevan meses preparándose para ello. La mayor energía disponible en las colisiones puede permitirnos cruzar el umbral de producción de nuevos fenómenos y producir alguna señal espectacular. Tras los datos iniciales, si no se observa nada nuevo, no hay que desesperarse. Será necesario acumular datos pacientemente para poder observar señales más sutiles. Los próximos años prometen ser de nuevo emocionantes. Los físicos teóricos siguen con expectación las noticias de nuestra singladura, ya que se necesita la sanción del experimento para que sus teorías, por ahora literatura matemática, asciendan a la categoría de Física.

José María Hernández Calama es investigador del CIEMAT y miembro del experimento CMS del LHC.